摘要：為提高孤島有限容量系統的穩定性和經濟性，通常采用多臺同型或異型發電機組并機運行的方法來實現系統的輸出擴容。機組的并機控制、負荷分配策略是決定系統運行穩定的核心因素，因此設計了一種基于CAN總線的柴電機組控制系統。首先，針對CAN總線控制系統進行總體設計;然后，針對柴電機組并機運行要求，對其調速、調壓、負荷均衡分配控制策略進行分析研究，制定了并機控制、負荷分配策略;最后，結合工程應用案例，成功實現了該控制系統在同型/異型機組間的應用，該系統還具有完善的發動機燃油控制、故障診斷功能。

　　關鍵詞：孤島有限容量系統;CAN總線;同型/異型機組;并機控制;負荷均衡控制

　　0引言

　　隨著國內外大力推進綠色低碳港口建設，港口大型裝卸設備“油改電”和“靠港船舶岸電供電”等港口電氣化新建或改造已大規模實施，電力已成為港口的主要能源。而港口設備單機功率大且工況復雜頻變，此類工程負載，運行于大電網時一般較為穩定。但運行于由柴油發電機組組成的有限容量系統時，會對該有限容量系統造成較大負載沖擊，嚴重影響港口設備供電品質。針對上述問題，通過將多臺同型或異型發電機組(控制器、容量、轉速、特性均不相同)并機運行的方法來實現港口孤島電站的擴容，同時采用飛輪儲能技術改善該孤島有限容量電力系統的供電品質已成為電網薄弱港口建設的主要手段[1-2]。

　　該方案不僅可以平緩沖擊負載對港口電網造成的沖擊，而且能夠隨著負荷的變化靈活調整發電機組的投運數量，提高港口的運營經濟性。目前，大多數柴油發電機組控制系統仍是采用常規的數字量和模擬量控制，控制器和數據采集多選用西門子PLC組件，如文獻[3-5]設計的基于PLC的柴油發電機組控制系統雖具有較為完整的保護功能且自動化程度較高，但該類型的系統均需使用大量的PLC組件，控制系統復雜。

　　CAN因具有實時性好、抗干擾能力強、成本低、傳輸速率高等特點，而廣泛應用于汽車、自動控制、電力系統等多個工程領域[6-7]。文獻[8]設計了一套基于CAN總線的船舶電站自動控制系統，該系統集控制、監測、保護、管理于一體，采用雙冗余網絡結構并具備較強的擴展能力，很大程度地提高了船舶電站的系統安全性和穩定性，并可根據不同船舶電站控制系統的結構差異靈活配置控制系統設備，具有較強的工程應用價值。

　　文獻[9]采用CAN總線技術實現了柴油發電機組的并機控制，該系統相較于以往基于模擬量的柴油發電機組并機控制系統具有較大優勢，大幅提高系統數字化水平的同時，在系統運行的穩定性、可靠性及交互性方面均有較大提升，具有較好的工程推廣應用價值。文獻[10]為實現柴油發電機組的自動控制及遠程監控功能，結合高性能單片機，采用CAN總線技術實現了發電機組的自動起動、并車、負載分配及自動卸載等功能，實現了系統輸入輸出共享、控制器冗余設計，提高了系統的可靠性。

　　雖然以上文獻所提出的基于CAN總線的控制系統均可較好地適用于同型柴油發電機組，但對于頻變負荷環境下的異型機組并網運行控制未有涉及，而異型發電機組在并網過程及頻變負荷過程下機組有功功率及無功功率的均衡分配很難控制，實現并保證由異型機組組成的有限容量系統的穩定運行是工程應用的重中之重。本文設計了一套基于CAN總線的柴油發電機組控制系統來實現多臺同型或異型柴油發電機組的起停控制、電壓/頻率調節、并網/解列控制、負荷均衡分配、狀態監測及故障診斷功能。

　　1基于CAN總線的控制系統總體方案

　　柴油發電機組的輸出頻率與發電機組電樞轉速有關，當輸出頻率隨負載變化時，應通過柴油發電機組的ECU調節噴油量和正時以穩定發動機轉速。而發電機組的機端電壓會隨負載而變化，要維持輸出電壓不變，就必須在負載變動時調節發電機的勵磁電流。同時，有功/無功功率也能在并聯機組間合理分配[11]。 ①WoodwardeasYgen⁃2500機組控制器、②BaslerDECS⁃150數字式勵磁調節器、③發動機ECU、④真空斷路器及二次控制回路組成。控制系統通過J1939協議實現發動機的運行監測、故障診斷、安保及控制功能。通過CANopen協議實現在網運行機組的負荷管理，并集成有ModbusRS485通信網口同上位機進行通信。

　　2控制系統控制策略研究

　　在實現了柴油發電機組控制系統總體方案之后，需對基于CAN總線的柴電機組控制策略進行深入研究，以期實現各種控制功能并為后續的軟件設計提供指導依據。控制策略研究主要包括三方面內容：(1)并機過程中發動機轉速及發電機端電壓的調節控制策略研究，以確保順利并機;(2)并機成功后的負荷均衡控制策略研究，以確保柴電機組間有功功率、無功功率的合理分配，使電網穩定運行;(3)機組解列過程中負荷轉移控制策略研究，確保機組平滑退網，避免對微電網造成較大的負荷沖擊。

　　2.1并機控制策略研究

　　孤島有限容量電力系統往往需要將多臺同型或異型發電機組并機運行以達到孤網系統高效、經濟、穩定運行的目的。發電機組投入并聯運行的過程稱為并機，該過程須滿足并機技術條件，否則將會對孤島有限容量電力系統造成較大的沖擊或并機失敗，對并機技術條件總結如下：(1)待并發電機組的電壓和系統母線電壓幅值相等且波形一致;(2)待并發電機組的電壓和系統母線電壓相位一樣;(3)待并發電機組的頻率和系統母線頻率相等;(4)待并發電機組的相序和系統母線相序相同。為達到上述并機技術條件，應分別對柴電機組的頻率和機端電壓進行調節。

　　2.1.1發動機轉速控制策略

　　當上述并機技術條件的其他三項滿足而轉速存在偏差即頻率不一致時，發電機的機端電壓E01和電網電壓U便有相對運動，兩相量間的相位差在0°～360°之間不斷變化，且電壓差ΔU=E01-U忽大忽小。頻率差越大，變化越劇烈，并機過程也越困難;若投入電網，亦較難牽入同步，且在電機和電網間會引起較大的拍振電流和功率振蕩。發動機轉速調整策略應根據發動機轉速調整特性曲線制定，如圖2所示。發動機轉速應隨著機組有功功率的變化而自動調節，為了柴電機組穩定地并機運行且不同機組間均勻承擔有功功率，發動機的調速特性曲線應設置為下垂特性曲線。

　　2.1.2發電機電壓控制策略

　　當上述并機技術條件的其他三項滿足而電壓幅值不一致時，并入電網相當于突加電壓差ΔU引起的瞬態過程，此時將在發電機和電網中產生一定的沖擊電流，嚴重時該電流可達額定電流的5～8倍。機端電壓調整策略應根據發電機電壓調整特性曲線制定。

　　發電機的機端電壓應隨著機組無功功率的變化而自動調節，為了柴電機組穩定地并機運行且不同機組間均勻承擔無功功率，發電機的調壓特性曲線應設置為下垂特性曲線。

　　2.2負荷均衡控制策略研究

　　發動機輸出功率和負載消耗功率不平衡是孤島有限容量電力系統頻率變化的根本原因。在孤網系統負荷發生變化時，發動機通過電子調速器來調節發動機的噴油量，從而使發動機的輸出功率和負載消耗功率保持動態平衡以此來維持機組頻率穩定。另外，若孤網系統無功功率儲備不足，當系統無功負荷增加時，需降壓運行來滿足系統無功功率的平衡，若無功負荷無法均衡分配，在并聯運行的發電機組之間將出現無功環流，影響孤網系統的穩定性。關于柴油發電機組有功功率與無功功率分配與調節控制策略研究可查閱文獻[12]相關論述。

　　3實例應用

　　海外某港口孤島電站系統為港口集裝箱堆場起重機、場橋及基礎設施提供電力供應。該孤島電站系統由3臺8500kW的中速柴油發電機組，2臺2000kW的高速柴油發電機組和4臺2000kW的飛輪儲能機組組成，饋線回路設置為2回。

　　3.1負荷均衡控制實現

　　機組控制器通過CANBus網絡相互通信實現有功功率的自動分配和轉移。系統軟件通過實時計算電網負載率，將電網負載率和機組負載率進行偏差比較得到新的變量設定值，機組調速系統將根據新的設定值進行轉速控制調節以改變柴油機的噴油量，進而完成并聯運行機組間有功功率的轉移和分配。

　　系統軟件在電壓調節器雙閉環控制策略的基礎上，設計一套集中式無功功率控制模塊來統一協調異型機組并聯運行時無功功率的均衡控制。集中式無功功率控制模塊不斷地檢測各并聯運行機組的無功功率并和設定值進行比較，經軟件處理計算后，輸出偏差控制信號到電壓調節器電壓設定值處。該差值信號與電壓設定值、實測機端電壓信號疊加處理得到勵磁調節器的輸入，以此來完成勵磁電流的調節控制，進而實現并聯異型機組間無功功率的轉移和分配。柴油發電機組的解列與卸載過程是機組間負載分配轉移的逆過程，在實現了機組有功及無功的轉移之后，便可將待解列機組從電網中解列退出。

　　3.2控制系統通信實現

　　CAN報文的標識符影響標識符使用的效率、報文的相關優先權、通信結構的適用性和報文濾波適用性。本文所提系統采用11位標識符的標準幀結構為各控制器發送ID，并由控制系統軟件設計決定各機組所接收的標識符報文。各控制器的ID設定遵循以下原則：各控制器節點發送報文時，ID逐漸增大而其優先權逐漸依次降低。如設定#1機組控制器發送報文ID為0X00，接受報文ID為0X01/02/03/04…，#2機組控制器發送報文ID為0X01，接受報文ID為0X00/02/03/04…。

　　另外，根據該電站系統傳輸信息類型的不同而設置不同的優先級，如周期性播報的電網、機組參數及機組運行狀態信息對于系統響應實時性要求不高，設置為較低的優先級;對于控制類、調度類、指令信息，設置優先級高于周期性播報信息。而對于故障類、安保類、緊急操作類等涉及設備、系統安全的信息，設置為最高的優先級。

　　CAN報文采用短幀結構，本文采用8字節報文傳送數據。在協議中報文的數據用來傳輸與功能相關的數據，在數據傳送過程中，當數據大于8位時，采用分段傳輸;當數據小于8位時，盡可能地合理利用8位字節傳輸更多的有效數據。報文數據分配原則如下所示：如Data.0(電壓有效值)，Data.1(電流有效值)，Data.2～3(有功功率)，Data.4～5(無功功率)等。

　　3.3系統測試

　　該孤島電站中各柴電機組將按比例執行負荷(有功/無功)分配，即并機運行的機組均承擔相同比例的負載。試驗過程中3臺3MW飛輪儲能機組并機運行(出廠聯調試驗)，并機運行功率分配計算[13]。

　　試驗過程中2臺2MW飛輪儲能機組和1臺8.5MW中速機組并機運行(現場交接試驗時受港口運營負載功率限制，無法實現并網機組20%～100%負荷率下的所有負載測試，故重復測試了20%負荷率的并機運行試驗測試系統的穩定性)。

　　3臺儲能機組分別在20%、50%、75%、100%負荷下并機運行，在不同的負荷率下，每臺機組的有功功率分配均勻度及無功功率分配均勻度在-1.1%～0.8%之間;在20%負荷率下，每臺機組的有功功率分配均勻度及無功功率分配均勻度在-3.7%～2.6%之間，分配均勻度優于GB/T2820.5-2009G3性能等級機組的指標。

　　4結語

　　基于CAN總線的柴電機組控制系統研究是一個具有實際意義的課題，通過CAN總線控制系統可實現孤島有限容量系統的自動運行控制及異型機組間并網運行負荷的均衡分配，切實提高了孤島電站系統在頻變負荷沖擊下運行的可靠性和穩定性，并能使并聯運行的各發電機組運行在經濟區間，大大降低了系統運行成本，增加了運行效益。本文提出的基于CAN總線的柴電機組控制系統對于類似的工程使用場景具有較強的借鑒意義和推廣意義。

　　【參考文獻】

　　[1]楚萬秀，陳原偉，林志育，等.瞬變負荷蓄能發電機組設計[J].柴油機，2015，37(3)：43.

　　[2]益斌，楊文杰，陳松，等.瞬變負荷蓄能柴油發電機組預升速技術研究[J].柴油機，2015，37(2)：39.

　　作者：王昊1，2，姚遠3，申卿1，2，劉耀元2，賈奕健2